某車(chē)型中高速工況熱制動(dòng)車(chē)身抖動(dòng)分析與控制
近年來(lái),汽車(chē)越來(lái)越多地進(jìn)入尋常百姓家,隨之也帶來(lái)了很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。而汽車(chē)振動(dòng)噪聲(NVH)問(wèn)題就是其中之一,它不僅影響乘員的舒適性并且會(huì)對(duì)行車(chē)安全造成嚴(yán)重影響。制動(dòng)舒適性及制動(dòng)安全性是汽車(chē)NVH性能的重要體現(xiàn)方面,已成為汽車(chē)領(lǐng)域的重要研究課題。近幾年來(lái),制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越多的受到關(guān)注。通常在制動(dòng)過(guò)程中摩擦片與制動(dòng)盤(pán)相接觸產(chǎn)生熱量,引起制動(dòng)盤(pán)熱變形進(jìn)而引發(fā)制動(dòng)力矩波動(dòng)(BTV)和制動(dòng)壓力波動(dòng)(BPV)。制動(dòng)壓力波動(dòng)通過(guò)液壓管路傳遞到制動(dòng)踏板的過(guò)程中經(jīng)放大產(chǎn)生踏板波動(dòng)。制動(dòng)力矩波動(dòng)則會(huì)激勵(lì)懸架系統(tǒng)引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和車(chē)身振動(dòng)易被駕駛員感知并引起不舒適性。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題的研究較多。Jacobsson.H.等[1-2]對(duì)制動(dòng)器相關(guān)零部件、懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響進(jìn)行了分析研究。同時(shí),也有許多學(xué)者采用有限元分析、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱變形的影響進(jìn)行了研究[3-6]。Kang,J.等[7-8]對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)源進(jìn)行了研究,結(jié)果表明制動(dòng)盤(pán)厚薄差(DTV)是引起制動(dòng)力矩波動(dòng)的主要原因。同時(shí),也有許多學(xué)者[9-13]研究了傳遞路徑對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響,并通過(guò)優(yōu)化路徑減輕抖動(dòng)現(xiàn)象。Robert.M.等[14]采用特制工裝夾具模擬制動(dòng)力矩變化來(lái)探究其對(duì)整車(chē)抖動(dòng)及方向盤(pán)擺振的影響。華南理工大學(xué)楊翠麗等[15],采用滾下法測(cè)試下擺臂的固有頻率發(fā)現(xiàn)其與制動(dòng)盤(pán)激勵(lì)頻率有高度重疊區(qū)間。合肥工業(yè)大學(xué)李芳龍[16]等采用ADAMS模型分析了懸架系統(tǒng)剛度和阻尼對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響。Gassmann S.等[17]通過(guò)對(duì)不同懸架特性參數(shù)的同類(lèi)型車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明懸架特性參數(shù)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響差異很大。目前,對(duì)于制動(dòng)抖動(dòng)研究較多但大多集中在有限元仿真分析與制動(dòng)盤(pán)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)而對(duì)整車(chē)狀態(tài)下懸架系統(tǒng)縱向方向固有頻率耦合問(wèn)題研究較少。
通過(guò)對(duì)該車(chē)型制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行排查分析發(fā)現(xiàn),由于制動(dòng)盤(pán)DTV增長(zhǎng)所引起制動(dòng)力矩波動(dòng)激勵(lì)頻率與懸架系統(tǒng)縱向固有頻率及方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)固有頻率耦合產(chǎn)生共振引起抖動(dòng)現(xiàn)象。優(yōu)化制動(dòng)盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)并改變懸架系統(tǒng)剛度特性后問(wèn)題得以解決,結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性,該車(chē)型制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題的研究成果,對(duì)后續(xù)車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題的規(guī)避與控制都有重要的指導(dǎo)意義。
1 整車(chē)道路試驗(yàn)方案
某前驅(qū)車(chē)型在進(jìn)行整車(chē)NVH 性能評(píng)價(jià)時(shí),以0.3 g的減速度從120 km/h制動(dòng)到60 km/h的過(guò)程中可以明顯感受到方向盤(pán)擺振以及地板抖動(dòng)情況,并在制動(dòng)末期伴隨出現(xiàn)輕微“咕咕”聲,主觀感受該異響聲音來(lái)自于前輪附近。采用專(zhuān)業(yè)振動(dòng)噪聲測(cè)試設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)噪聲客觀數(shù)據(jù)采集分析,分別在制動(dòng)卡鉗、地板、方向盤(pán)等部位布置振動(dòng)加速度計(jì),如圖1所示。

圖1 整車(chē)制動(dòng)抖動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖
(a)制動(dòng)卡鉗;(b)下擺臂;(c)轉(zhuǎn)向拉桿;(d)副車(chē)架;(e)主駕座椅滑軌;(f)方向盤(pán)
測(cè)試車(chē)輛均在專(zhuān)業(yè)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的制動(dòng)試驗(yàn)道進(jìn)行試驗(yàn),以盡量減小路面不平等其他干擾因素。另外,在試驗(yàn)開(kāi)始之前需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行車(chē)輪動(dòng)平衡、四輪定位檢查等前期準(zhǔn)備以排除干擾因素。在前期準(zhǔn)備完成后,還需對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行約30次輕度磨合制動(dòng)并待制動(dòng)盤(pán)溫度再次冷卻至室溫時(shí)方可進(jìn)行制動(dòng)抖動(dòng)測(cè)試。再進(jìn)行3 次制動(dòng)預(yù)熱,待制動(dòng)盤(pán)溫度上升后進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集,整車(chē)道路試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 整車(chē)道路試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)
(a)左側(cè)卡鉗;(b)右側(cè)卡鉗;(c)下擺臂;(d)轉(zhuǎn)向拉桿;(e)副車(chē)架;(f)轉(zhuǎn)向柱;(g)主駕地板;(h)方向盤(pán)
整車(chē)道路試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明,左、右卡鉗在不同車(chē)速區(qū)間以1 階、2 階激勵(lì)為主。在車(chē)速約110 km/h時(shí),以1階14 Hz激勵(lì)最為明顯并且在各個(gè)響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)也最為明顯,根據(jù)激勵(lì)頻率與車(chē)速關(guān)系

其中:
v——車(chē)速,km/h;
r——車(chē)輪半徑,m;
n——激勵(lì)次數(shù),1或2;
當(dāng)車(chē)速在120 km/h~60 km/h時(shí),車(chē)輪1階、2階激勵(lì)頻率分別為14 Hz~7 Hz及28 Hz~14 Hz,與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果相符。
2 制動(dòng)抖動(dòng)影響因素
制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象是周期性受迫振動(dòng),制動(dòng)盤(pán)本身的厚薄差(DTV)、表面端跳(SRO)等以及在制動(dòng)過(guò)程中引起的制動(dòng)壓力波動(dòng)(BPV)和制動(dòng)力矩波動(dòng)(BTV)通過(guò)下擺臂、副車(chē)架、轉(zhuǎn)向拉桿等傳遞放大到車(chē)身和方向盤(pán)引起抖動(dòng),其抖動(dòng)激勵(lì)源與傳遞路徑如圖3所示。

圖3 抖動(dòng)傳遞路徑
2.1 制動(dòng)盤(pán)厚薄差因素
制動(dòng)盤(pán)厚薄差(DTV)是指制動(dòng)盤(pán)厚度沿著圓周方向有變化,DTV會(huì)導(dǎo)致在制動(dòng)過(guò)程中接觸壓力不均以及制動(dòng)力矩等效半徑發(fā)生變化等問(wèn)題。同時(shí),DTV 也會(huì)引起制動(dòng)活塞軸向移動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)壓力波動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)踏板出現(xiàn)上、下跳動(dòng)現(xiàn)象。初始狀態(tài)DTV值、制動(dòng)盤(pán)成分、機(jī)械加工精度、不均勻腐蝕以及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)制動(dòng)等都會(huì)對(duì)DTV產(chǎn)生影響[18-19]。另外,制動(dòng)過(guò)程中熱翹曲現(xiàn)象也會(huì)引起DTV增長(zhǎng)。
2.2 制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)因素
制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)(SRO)是指制動(dòng)盤(pán)面沿著圓周有軸向的高低變化。存在端面跳動(dòng)時(shí),當(dāng)制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)到不同角度,內(nèi)外摩擦塊之間會(huì)形成微小的間距同樣會(huì)導(dǎo)致接觸壓力分布不均,引起制動(dòng)力矩和制動(dòng)壓力波動(dòng)。制動(dòng)盤(pán)加工精度、安裝誤差、輪轂軸承間隙、外力作用、動(dòng)不平衡等因素均會(huì)引起端面跳動(dòng)。此外,當(dāng)制動(dòng)力施加到制動(dòng)盤(pán)時(shí)也會(huì)引起制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生微小扭曲增加端面跳動(dòng)。
2.3 摩擦片因素
在制動(dòng)過(guò)程中,隨著制動(dòng)溫度、接觸壓力等發(fā)生變化摩擦片特性也會(huì)跟著發(fā)生改變。在摩擦片選型過(guò)程中超過(guò)20項(xiàng)屬性需要被考慮,如密度、熔點(diǎn)、強(qiáng)度等等。其中摩擦系數(shù)、壓縮剛度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)影響較為突出。另外,摩擦片長(zhǎng)度也會(huì)引起摩擦片上制動(dòng)壓力分布變化對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生影響。
2.4 懸架和轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)因素
制動(dòng)力矩波動(dòng)引起的振動(dòng)作為激勵(lì)源必然也會(huì)對(duì)其他相關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,當(dāng)激勵(lì)頻率與子系統(tǒng)固有頻率重合或者比較接近時(shí)將產(chǎn)生共振現(xiàn)象,振動(dòng)將被放大引起系統(tǒng)出現(xiàn)明顯振動(dòng)問(wèn)題。大量試驗(yàn)結(jié)果表明,制動(dòng)力矩波動(dòng)多為制動(dòng)盤(pán)1階或2階擾動(dòng)引起,在車(chē)速120 km/h至60 km/h范圍內(nèi),制動(dòng)盤(pán)1階、2 階激勵(lì)頻率通常分別在18 Hz~9 Hz 和36 Hz-~18 Hz 之間。Jacobsson.H[20]通過(guò)試驗(yàn)得出,在非制動(dòng)狀態(tài)下懸架系統(tǒng)前后方向固有頻率為18 Hz,而在制動(dòng)狀態(tài)下為13.8 Hz。另外,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自激振動(dòng)固有頻率也處于10 Hz~20 Hz范圍內(nèi)容易產(chǎn)生耦合共振問(wèn)題。Robert.M等[14]通過(guò)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)擺振模態(tài)頻率為13.7 Hz。從激勵(lì)源到接受體傳遞路徑之間會(huì)經(jīng)過(guò)懸架和轉(zhuǎn)向子系統(tǒng),因此不同的子系統(tǒng)特性將會(huì)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)產(chǎn)生明顯的差異,這也就解釋了為什么相同DTV 值制動(dòng)盤(pán)在不同的車(chē)型上所表現(xiàn)出的制動(dòng)抖動(dòng)差異大不相同。
2.5 其它因素
當(dāng)車(chē)輛行駛在較差的路面時(shí),由于路面顛簸引起制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)增加也會(huì)加劇制動(dòng)抖動(dòng)。此外,不同的駕駛員、不同的駕駛風(fēng)格對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)也會(huì)存在一定影響。
3 整車(chē)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 整車(chē)狀態(tài)下懸架系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試
在對(duì)車(chē)輛進(jìn)行狀態(tài)檢查、胎壓檢查等前期檢查后,在整車(chē)模態(tài)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行懸架系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試??紤]到在制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪主要以X方向運(yùn)動(dòng)為主并帶動(dòng)下擺臂及轉(zhuǎn)向拉桿等部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。因此考慮在車(chē)輪輪轂、主銷(xiāo)、下擺臂、轉(zhuǎn)向拉桿、方向盤(pán)等部位布置加速度振動(dòng)傳感器并采用激振器激勵(lì)輪轂軸頭位置作為激勵(lì)源,測(cè)點(diǎn)布置及激勵(lì)點(diǎn)布置如圖4所示,具體測(cè)點(diǎn)類(lèi)型及通道數(shù)如表1所示。

圖4 模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖
(a)車(chē)輪輪轂和激振器;(b)下擺臂;(c)轉(zhuǎn)向拉桿;(d)主銷(xiāo);(e)方向盤(pán)
將車(chē)輛水平放置、熄火、空擋、啟動(dòng)手剎,并在安裝完所有測(cè)點(diǎn)傳感器以及激振器且檢查無(wú)誤后方可進(jìn)行試驗(yàn),如圖5所示。
表1 測(cè)點(diǎn)類(lèi)型及安裝布置表


圖5 整車(chē)模態(tài)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖
建立幾何模型并檢查所有測(cè)點(diǎn)插點(diǎn)無(wú)誤,激振器采用Burst Random 激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行激勵(lì),采集并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),如頻響函數(shù)、相關(guān)性、自譜、互譜等。根據(jù)頻響函數(shù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,其中2 階(13.8 Hz)模態(tài)振型如圖6所示。

圖6 2階(13.8 Hz)懸架系統(tǒng)模態(tài)振型圖
從振型圖可以看出,下擺臂和轉(zhuǎn)向拉桿主要以X方向前后跳動(dòng)為主而車(chē)輪則出現(xiàn)上下翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.2 整車(chē)狀態(tài)下方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)模態(tài)測(cè)試
由于方向盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)明顯擺振現(xiàn)象,因此有必要對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)模態(tài)進(jìn)行測(cè)試。分別在方向盤(pán)周向均布4 個(gè)加速度傳感器,測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。
采用力錘激勵(lì)方向盤(pán)3點(diǎn)鐘輻條位置,如圖7紅色箭頭所示。根據(jù)頻率函數(shù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,其中1階(11.89 Hz)方向旋轉(zhuǎn)模態(tài)振型如圖8所示。

圖7 方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)模態(tài)(11.89 Hz)振型圖
4 控制措施及驗(yàn)證
對(duì)于懸架系統(tǒng)來(lái)說(shuō)與制動(dòng)抖動(dòng)相關(guān)的設(shè)計(jì)變量主要有下擺臂襯套剛度、副車(chē)架安裝點(diǎn)剛度、輪胎剛度等,如表2所示。
表2 制動(dòng)抖動(dòng)相關(guān)部件設(shè)計(jì)變量表

由于下擺臂B 襯套比A 襯套更軟,當(dāng)懸架系統(tǒng)發(fā)生前后運(yùn)動(dòng)時(shí)B襯套將以A襯套為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如圖9所示。

圖9 下擺臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖
為了限制前后運(yùn)動(dòng),通常需要增加A襯套剛度。此外,制動(dòng)抖動(dòng)對(duì)下擺臂B 襯套剛度同樣很敏感。通常情況下,下擺臂B 襯套橫向剛度減小會(huì)引起懸架系統(tǒng)縱向振動(dòng)頻率和振動(dòng)等級(jí)減小,但是卻會(huì)引起懸架系統(tǒng)繞A襯套旋轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率增加。由于B襯套是影響制動(dòng)抖動(dòng)和行駛舒適性的重要影響因素,因此需要根據(jù)整車(chē)設(shè)計(jì)要求選擇合理的襯套剛度。對(duì)于副車(chē)架,增加襯套剛度則有利于降低靈敏度,由于副車(chē)架襯套剛度不是制動(dòng)抖動(dòng)的主要影響因素,其襯套剛度對(duì)實(shí)車(chē)制動(dòng)抖動(dòng)影響較小。
從整車(chē)制動(dòng)抖動(dòng)測(cè)試以及整車(chē)懸架系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),懸架系統(tǒng)下擺臂2 階模態(tài)(13.8 Hz)振型以X 方向前后跳動(dòng)為主與制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(pán)1階激勵(lì)頻率(14 Hz~7 Hz)非常接近容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象,同時(shí)方向盤(pán)周向旋轉(zhuǎn)模態(tài)頻率(11.89 Hz)也處于制動(dòng)盤(pán)1 階激勵(lì)頻率范圍內(nèi)易產(chǎn)生共振耦合現(xiàn)象。因此考慮對(duì)下擺臂襯套剛度、阻尼特性進(jìn)行調(diào)整。在原襯套的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整橡膠配方增加剛度。此外,制動(dòng)盤(pán)熱變形所引起的DTV增加也是一項(xiàng)重要影響因素,由于原車(chē)狀態(tài)下采用內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)不利于散熱,因此考慮更改為相同初始DTV值的外通風(fēng)結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)增加冷卻效能以減小激勵(lì)。換裝新樣件后再次進(jìn)行整車(chē)試驗(yàn),試驗(yàn)樣件如圖10所示。

圖10 調(diào)整剛度特性下擺臂和外通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)樣件
試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置與圖1保持一致再次進(jìn)行試驗(yàn),主觀感受制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象完全消失已達(dá)到可接受范圍。各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11所示,測(cè)試結(jié)果也表明激勵(lì)源及響應(yīng)點(diǎn)振幅相比較于原車(chē)狀態(tài)均大幅度降低與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相一致,換裝新樣件前、后各測(cè)點(diǎn)在1階14 Hz處振動(dòng)幅值變化如表3所示。

圖11 新樣件組合客觀測(cè)試結(jié)果
(a)左側(cè)卡鉗;(b)右側(cè)卡鉗;(c)下擺臂;(d)轉(zhuǎn)向拉桿;(e)副車(chē)架;(f)轉(zhuǎn)向柱;(g)主駕地板;(h)方向盤(pán)
表3 換裝新樣件前、后振動(dòng)幅值變化表

5 結(jié)語(yǔ)
(1)通過(guò)對(duì)整車(chē)狀態(tài)下制動(dòng)抖動(dòng)測(cè)試,結(jié)果表明激勵(lì)源主要以車(chē)輪1 階、2 階旋轉(zhuǎn)激勵(lì)為主,并通過(guò)懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞至地板和方向盤(pán)引起抖動(dòng)。
(2)在整車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行懸架系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn),結(jié)果表明懸架系統(tǒng)下擺臂2 階X方向前后跳動(dòng)模態(tài)頻率與制動(dòng)盤(pán)1 階激勵(lì)頻率非常接近易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。同時(shí),方向盤(pán)周向旋轉(zhuǎn)模態(tài)頻率與處于制動(dòng)盤(pán)1階激勵(lì)范圍內(nèi),易產(chǎn)生共振耦合現(xiàn)象。
(3)通過(guò)調(diào)整下擺臂B 襯套剛度特性以改變懸架系統(tǒng)前后跳動(dòng)模態(tài)特性,同時(shí)更換外通風(fēng)結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)增加冷卻效能減少激勵(lì),有效抑制了制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象。
作者:岳川元1,張 軍3,楊 朝1,2,沈 蜜2,萬(wàn) 鑫1,2,楊 誠(chéng)1
1.重慶大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院
2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司歐尚研究院
3.吉利汽車(chē)研究院
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